基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

土壤微生物群落对全球气候变化响应的研究进展

全球气候变化对陆地生态系统过程和功能产生重要影响,土壤微生物群落在陆地生态系统几乎所有的生物地球化学循环过程起到关键作用。本文针对气候变化对土壤微生物的影响研究结果,主要从土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构对大气CO₂升高、增温、降水变化、氮沉降等全球变化单因子和多因子的直接或间接响应进行综述,并进一步阐述参与土壤碳氮循环过程的功能微生物对气候变化的响应机制与适应规律。全球变化因子改变了土壤微生物的群落组成,呈现降低、增加和无影响3种效应,且不同功能微生物也呈现不同的敏感性。多个全球变化因子对土壤微生物群落结构的交互效应可能存在加性、协同、拮抗作用,产生加和的、相互促进或抵消的整体效果。然而,目前对多种全球变化因子如三因子或四因子的组合作用,以及多因子的高阶交互作用研究较少;已有的研究地理分布不均匀,且时间和空间大尺度的研究不足;缺乏综合生态系统模型对全球变化的影响进行模拟和预测。最后指出今后的研究发展方向：进行多种全球变化因子、长时间、多生态系统点位、大空间尺度的土壤微生物群落动态研究;探究多种全球变化因子的高阶交互作用;建立综合响应的生态系统模...     

树种多样性对土壤微生物群落结构和元素生物地球化学循环的影响研究进展

森林是陆地生态系统的重要组成部分,其巨大的生产力和生态服务功能对人类的生存和发展至关重要。森林树种多样性增加能够显著提高森林生产力,关于树种多样性如何影响地下生物多样性及生态功能逐渐受到国内外学者的广泛关注。从土壤微生物及其介导的元素生物地球化学循环这一视角出发,综述了树种多样性对土壤细菌和真菌多样性、群落结构及功能的影响,提出需要进一步深入研究的方向。总体来说,树种多样性有利于增加土壤细菌生物量和多样性,是预测病原性真菌和菌根真菌多样性及群落结构的重要生物因子。树种多样性能增加土壤有机碳储量,增强森林土壤的甲烷氧化能力,并提高土壤磷周转速率及有效磷含量。关于树种多样性对森林土壤氮循环的影响需考虑多样性假说和质量比假说的相对贡献。今后应加强树种多样性对多个营养级之间相互作用的研究;关注树种多样性对生态系统多功能的影响;加强学科交叉,引入微生物种群动态模型和气候模型等模型预测方法,研究树种多样性对全球气候变化的应对机制,以期促进地上植物多样性与地下生态系统功能关系的研究,增强森林生态系统应对未来全球环境变化的能力。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

高寒生态系统微生物群落研究进展

高寒生态系统分布在高纬度或高海拔、气候寒冷的地区,包括北极苔原、高山苔原、青藏高原等.高寒生态系统对气候变化非常敏感,其土壤中储存大量的有机碳,对全球的碳平衡起关键作用.微生物是生物地球化学循环的主要驱动者,微生物群落对气候变化的响应和反馈影响生态系统的功能与稳定性.本文回顾了高寒生态系统微生物群落组成、多样性与空间分布,以及微生物群落对气候变化(增温、氮沉降、火干扰)的响应,为拓展我国高寒生态系统微生物研究提供基础.     

季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响

全球气候变化引发的雪被格局变化将深刻影响植被的凋落物分解、陆地生态系统的土壤养分循环等过程.森林是陆地生态系统的主体,在全球生物地球化学循环中起着不可替代的作用.本研究综述了季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响.全球气候变化情景下季节性雪被表现出因地域而异的增加或减少的变化格局,一方面通过改变环境温湿度、凋落物质量、分解者动态等直接影响分解过程,另一方面通过改变森林群落结构、植被物候、土壤养分等间接地作用于凋落物分解.同时,季节性雪被通过影响氮富集作用、雪被下土壤温湿度、冻融循环、森林群落、雪下动物和微生物等相关因子而改变森林土壤氮循环.本领域未来应开展的研究是: 1) 全面考虑全球气候变化情景下季节性雪被格局的变异性,开展不同季节性雪被格局变化的模拟研究;2) 开展季节性雪被融雪水淋溶作用对森林凋落物分解和土壤氮动态的影响研究;3) 阐明不同生态系统和气候带中季节性雪被格局变化对森林凋落物分解过程和土壤氮动态的驱动机制研究;4) 量化季节性雪被变化对森林凋落物分解和土壤氮动态在雪被覆盖期的瞬时影响和无雪期的延续影响,为阐明和模型预测陆地生态系统生物地球化学循环对全球气候变化的响应提供理论基础和数据支持.     

干旱半干旱区氮沉降生态效应研究进展

随着人类活动干扰的加剧以及全球气候变化,大气氮沉降的生态效应日益成为人们关注的焦点.氮沉降的增加能够带来生态系统结构和功能的改变,引起一系列生态效应.氮沉降对干旱半干旱地区生态系统的影响主要包括以下方面:(1)在干旱半干旱地区,氮沉降主要以脉冲形式进入氮循环进而影响其它生态过程;(2)氮沉降能够增加土壤氮矿化和土壤无机氮浓度,但氮循环还会受许多其它因素的影响;(3)氮沉降对土壤微生物代谢活动有很强的促进作用,但对其生物量的影响存在争议;(4)氮沉降能够影响植物生产力、根的生长,其效应主要受到水的调节作用;(5)氮沉降能够降低本地种的物种丰富度,有利于外来1年生物种的入侵.     

中亚热带地区氮沉降对杉木幼林土壤细菌群落多样性及组成的影响

大气氮沉降量持续增加已经成为当前关注的热点.土壤细菌群落作为土壤环境中大量存在的微生物,在养分循环过程中发挥着不可忽视的作用.在福建三明森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点,我们在野外模拟大气氮沉降试验,通过16S rDNA扩增子测序,研究中亚热带地区杉木幼林土壤细菌群落多样性和组成对氮沉降的响应.结果表明:短期施氮对研究区的土壤细菌群落多样性和组成并未产生显著影响,但高氮处理显著改变敏感菌群相对丰度,如富营养型类群丰度增加、贫营养型类群丰度降低.土壤细菌群落的营养策略发生变化,这可能是受到了养分有效性的驱动.因此,了解土壤细菌群落和养分分配格局对氮沉降的响应,有助于提高我们对未来环境的预测能力.     

长期氮添加对亚热带森林土壤微生物碳源代谢多样性的影响

土壤微生物功能多样性对维持生态系统功能和稳定性具有非常重要的意义。人类活动造成全球氮沉降量激增,会引起土壤微生物群落结构和功能的改变,但是目前有关亚热带森林生态系统土壤微生物碳源利用多样性对模拟N沉降的响应还不是很清楚。依托位于鼎湖山的长达15年的长期野外模拟氮沉降试验样地平台,借助Biolog-Eco微平板技术,分析探讨了不同N添加量对季风常绿阔叶林中土壤微生物群落碳代谢功能多样性的影响差异及机制。研究结果表明:(1)与对照相比,长期低N、中N和高N量添加使土壤微生物碳源代谢活性(AWCD)分别显著降低了15.3%、32.9%和38.0%;并且显著降低了微生物碳源利用Shannon多样性指数和丰富度指数;(2)微生物对糖类、羧酸、氨基酸、胺类和酚酸类的利用随着施N水平的提高而显著降低;其中胺类最为敏感,长期高N添加下其利用强度与对照相比显著降低了80.2%;(3)主成分分析表明,不同N添加水平显著影响了土壤微生物碳源利用(P=0.001);(4)分类变异分析表明,土壤和植物因素可解释不同N水平下碳源利用差异的90.7%;(5)典型对应分析发现,土壤pH(P=0.009)是解释不同N水平添加处理间土壤微生物碳源代谢多样性差异的主要环境因子;而植被丰富度和凋落物量没有显著影响。综上所述,长期不同N添加显著影响了亚热带森林土壤微生物碳源代谢多样性,并且结果表明土壤pH是影响碳源利用多样性的主要影响因素。研究结果对于揭示全球变化影响下热带森林生态系统地下生物多样性维持机制提供了重要理论依据。     

氮沉降对森林土壤磷循环的影响

磷是生物体必需的大量元素之一,也是许多生态系统的主要限制因子。近年来,大气氮沉降日益加剧,已对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响。关于氮沉降对生态系统磷循环的影响已开展了一系列的研究,然而尚缺少对其整体的认识。因此,通过收集国内外已发表的相关文章,从以下五个方面综述氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响及其机理:1)阐述了森林生态系统土壤磷循环的概念;2)介绍了氮沉降对森林土壤磷循环影响的研究方法,包括长期定位模拟氮沉降法、自然氮沉降梯度法和同位素示踪法等;3)概述了氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响。目前的研究结论趋向于认为长期氮沉降使森林土壤磷循环速率加快。长期氮输入易于使土壤中可溶性磷向非活性磷酸盐库迁移而难以被利用。因此,为了满足需求,土壤磷酸酶活性将增加以加速有机磷的矿化,从而加速磷素在土壤-植物-微生物之间的周转。4)探讨了氮沉降影响森林土壤磷循环的机制。氮沉降可通过改变土壤有机质的性质、微生物群落组成、磷酸酶活性以及阳离子的流动性等途径影响森林土壤磷循环;5)指出了当前研究存在的问题及未来的研究方向。     

全球变化背景下内蒙古草原土壤微生物多样性维持机制研究进展

全球变化对人类环境的影响是近几十年世界广泛关注的热点之一。内蒙古草原不仅是我国重要的牲畜和饲料生产基地, 而且有着不可替代的生态系统功能。土壤微生物是地球上多样性最高的生物类群, 在驱动碳氮循环等多种生态系统过程中发挥着至关重要的作用。由于研究技术的限制和群落结构复杂等原因, 土壤微生物生态学研究还处于描述性阶段, 理论研究还很缺乏。鉴于此, 利用分子生物学技术尤其是新一代测序技术, 从理论层面上系统地研究全球变化背景下我国北方草地微生物多样性的维持机制具有重要意义。本文在比较各种环境变化对土壤微生物群落的相对影响的基础上, 分析全球变化对微生物多样性影响的物理化学和生态学机制, 并对未来内蒙古草原微生物多样性的重点研究领域进行了展望, 包括: (1)加强全球变化多因素综合研究; (2)加强微生物多样性维持的生态学机制的研究; (3)加强地上与地下多样性关联机制的研究; (4)加强全球大尺度多生态系统的整合研究。     

Winter climate change affects growing‐season soil microbial biomass and activity in northern hardwood forests

Understanding the responses of terrestrial ecosystems to global change remains a major challenge of ecological research. We exploited a natural elevation gradient in a northern hardwood forest to determine how reductions in snow accumulation, expected with climate change, directly affect dynamics of soil winter frost, and indirectly soil microbial biomass and activity during the growing season. Soils from lower elevation plots, which accumulated less snow and experienced more soil temperature variability during the winter (and likely more freeze/thaw events), had less extractable inorganic nitrogen (N), lower rates of microbial N production via potential net N mineralization and nitrification, and higher potential microbial respiration during the growing season. Potential nitrate production rates during the growing season were particularly sensitive to changes in winter snow pack accumulation and winter soil temperature variability, especially in spring. Effects of elevation and winter conditions on N transformation rates differed from those on potential microbial respiration, suggesting that N‐related processes might respond differently to winter climate change in northern hardwood forests than C‐related processes.     

模拟大气氮沉降对中国森林生态系统影响的研究进展

人类活动加剧了活性氮的生产和排放,并导致氮沉降日益增加并全球化。目前,人类活动对全球氮循环的干扰已经超出了地球系统安全运行的界限。中国已成为全球氮沉降的高发区域,高氮沉降已经威胁到生态系统的健康和安全,并成为生态文明建设过程中亟待理清和解决的热点问题。对国际上和中国森林生态系统模拟氮沉降研究的概况进行了综述,并从生物学和非生物学两大过程重点阐述模拟氮沉降增加对中国主要森林生态系统影响的研究进展。中国自2000年以后才开始重视大气氮沉降产生的生态环境问题,中国科学院华南植物园在国内森林生态系统模拟氮沉降试验研究上做出了开创性的贡献。模拟氮沉降研究表明,持续高氮输入将会显著改变森林生态系统的结构和功能,并威胁生态系统的健康发展,特别是处于氮沉降热点区域的中国中南部。森林生态系统的氮沉降效应依赖于系统的氮状态、土地利用历史、气候特征、林型和林龄等。最后,对未来的研究提出了一些建议,包括加强长期跟踪研究和不同气候带站点之间的联网研究,特别是在森林生态系统对长期氮沉降响应与适应的过程机制、地下碳氮吸存潜力研究、以及与其他全球变化因子的耦合研究等方面,以期为森林生态系统的可持续发展提供理论基础和管理依据。     

Nitrogen oligotrophication in northern hardwood forests

While much research over the past 30 years has focused on the deleterious effects of excess N on forests and associated aquatic ecosystems, recent declines in atmospheric N deposition and unexplained declines in N export from these ecosystems have raised new concerns about N oligotrophication, limitations of forest productivity, and the capacity for forests to respond dynamically to disturbance and environmental change. Here we show multiple data streams from long-term ecological research at the Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire, USA suggesting that N oligotrophication in forest soils is driven by increased carbon flow from the atmosphere through soils that stimulates microbial immobilization of N and decreases available N for plants. Decreased available N in soils can result in increased N resorption by trees, which reduces litterfall N input to soils, further limiting available N supply and leading to further declines in soil N availability. Moreover, N oligotrophication has been likely exacerbated by changes in climate that increase the length of the growing season and decrease production of available N by mineralization during both winter and spring. These results suggest a need to re-evaluate the nature and extent of N cycling in temperate forests and assess how changing conditions will influence forest ecosystem response to multiple, dynamic stresses of global environmental change.     

土壤线虫对气候变化的响应研究进展

全球变化对陆地生态系统功能具有重要而深远的影响。陆地生态系统地下部分具有重要的生态功能,其组成及结构对气候变化的响应将进一步减缓或加剧全球化进程。土壤线虫在各类生态系统中分布十分广泛,是地下食物网的重要组分,在维持土壤生物多样性及营养物质循环过程中发挥重要作用,其组成及结构对不同气候变化驱动因子的响应机制与模式不尽相同。增温及降水格局变化主要是通过改变线虫生境而直接影响其种群密度与结构,两者通常表现为正效应且作用效果随处理时间的延长而增强。CO2与大气氮沉降主要是通过影响地上植被,凋落物质量,土壤理化性质等间接过程影响土壤线虫。同时,不同的全球变化因子之间存在着复杂的交互作用,深入理解这些因子之间交互作用对线虫群落的影响模式与机制对于探讨未来气候变化情景下生态统生物多样性及养分循环过程具有重要的理论指导意义。     

连续三年夜间增温和施氮对云杉外生菌根及菌根真菌多样性的影响

以西南亚高山针叶林建群种粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,采用红外加热模拟增温结合外施氮肥(NH₄NO₃ 25 g N m^-2 a^-1)的方法,研究连续3a夜间增温和施肥对云杉幼苗外生菌根侵染率、土壤外生菌根真菌生物量及其群落多样性的影响。结果表明:夜间增温对云杉外生菌根侵染率的影响具有季节性及根级差异。夜间增温对春季(2011年5月)云杉1级根,夏季(2011年7月)和秋季(2010年10月)云杉2级根侵染率影响显著。除2011年7月1级根外,施氮对云杉1、2级根侵染率无显著影响。夜间增温对土壤中外生菌根真菌的生物量和群落多样性无显著影响,施氮及增温与施氮联合处理使土壤中外生菌根真菌生物量显著降低,但却提高了外生菌根真菌群落的多样性。这说明云杉幼苗外生菌根侵染率对温度较敏感,土壤外生菌根真菌生物量及其群落多样性对施氮较敏感。这为进一步研究该区域亚高山针叶林地下过程对全球气候变化的响应机制提供了科学依据。